如何实现双足步行机器人系统设计与运动控制及虚拟现实的仿真研究

　　双足步行机器人是一种仿人机器人，是移动式机器人领域中一类重要的仿生系统。双足步行机器人作为一种移动式机器人，它与轮式，履带式机器人相比有许多优点与优越性。由于双足步行机器人的行走具有独特的适应性和拟人性，其行走控制成为当今研究的热点。步行运动模式与运动控制是影响双足步行机器人技术进步的重要问题，也是双足步行机器人成功而有效地实现稳定步行的理论基础和技术关键。本文针对双足步行机器人步行模式生成与步行控制相关问题进行了研究，并在虚拟现实的实验环境中实现了机器人以给定步行模式的行走。主要内容如下： ⑴对双足步行机器人的动力学模型进行了简化，采用平面倒立摆的线性化模型作为双足步行机器人步行模式生成的简化模型。设计了基于倒立摆线性化模型步行模式生成算法，对双足步行机器人前向行走，侧向行走与拐弯行走的腰部重心位置轨迹与速度轨迹进行了规划。对于双足步行具有双脚作支撑期的特点，本文采用了七次多项式插值，分两阶段对具有双脚支撑期的步行运动的腰部运动轨迹进行规划，实现了期望的运动模式。 ⑵针对双足步行机器人腿部逆模型求解问题，提出一种基于小脑模型连接控制网络CMAC的机器人逆运动学控制方法。机器人腿部正运动学模型采用Denavit-Hartenberg方法进行建模，在建立双足步行机器人正运动学模型基础上，设计了基于CMAC的控制系统。系统采用两个CMAC直接控制机器人的腿部运动。两个CMAC逆模型控制器分别逼近步行机器人支撑腿与摆动腿的逆模型，实现了对腰部运动轨迹的跟踪控制。 ⑶采用Open Dynamics Engine（ODE）作为双足步行机器人虚拟现实仿真实验的动力学计算引擎，在虚拟现实环境中建立双足步行机器人的可视化模型，以仿真环境中的双足步行机器人模型为控制对象，通过对机器人腿部各个虚拟关节电机进行角度伺服控制，并对足底ZMP进行检测，实现了双足步行机器人前向行走过程的完整步行模式。包括前向站立，预备，起步，行走，停止等几个阶段。仿真实验结果验证了基于平面倒立摆线性化模型的双足步行机器人步行模式的有效性。